Оптоэлектроника

Обнаружительная способность фотодиода

Сконцентрируем теперь наше внимание на поведении идеального фотопроводни­ка, изготовленного из однородного полупроводникового материала определенного типа (для определенности р-типа) толщиной с!, шириной и длиной / (смотрите рисунок 11.5). Как это имеет место в подавляющем большинстве случаев (за ис-

Ключением квантово-размерных фотоприемников — смотрите раздел 11.5). Потоки фотонов и носителей заряда перпендикулярны друг другу. Поток фотонов падает на поверхность полупроводника в направлении Oz. Фотоны в световом потоке облада­ют энергией hv, большей ширины запрещенной зоны Е, и они поглощаются в соответствии с определенной зависимостью ос от hv. С двух сторон приемника дела­ются контакты (смотрите рис. 11.5), позволяющие:

1. Прикладывать электрическое поле Ж параллельно поверхности (вдоль оси Ох).

2. Выводить носители, т. е. эффективно и без ограничений обеспечивать элек­трическую нейтральность материала.

Как мы только что видели, при пренебрежении потоком носителей через верх­нюю и нижнюю поверхности поверхностная концентрация носителей определяется равенством двух потоков Anioi/r= rjФ0. Это соответствует предположению о том, что диффузионная длина настолько велика, что неоднородностями A/f(z) можно пренеб­речь, при этом объемная концентрация An(z) = Ап = const дается соотношением:

Д п = (11.15)

А

Под влиянием поперечного электрического поля Е, связанного с внешней раз­ностью потенциалов V(E = V/l), по структуре начинает протекать ток с плотностью yph = A/iqfjLnE и полной амплитудой /рЬ = jphwd, m. к. площадь сечения, пересекаемого током составляет wd:

/Ph=W^yO0F (11.16)

С другой стороны, (этот более тонкий подход к фотопроводникам был разрабо­тан А. Роузом), фотонный поток пересекает сечение площадью wL Таким образом, представляется разумным нормировать ток /рЬ на мощность излучения = /jvO0w/,

Падающего на поверхность с площадью wl, что приводит к фоточувствительности 91 приемника излучения:

= ZeL = 77^1—-— (1117)

Ъ V l2 hv/q

Из этой формулы видна важность произведения //яг, задающего фоточувствитель­ность приемника излучения. Фактически лишь в этой формуле для фототока прояв­ляются собственные характеристики полупроводника. Произведение цт (см2 В"1) используется как критерий качества материала для фотоприемника. Выражение (11.17) может быть также записано в виде:

* = W-T-V <11Л8>

Hv/q

Фоточувствительность фотопроводника (А/Вт)

Здесь: g есть коэффициент усиления фотопроводимости, определяемый соотно­шением:

X I 12

8 =—; *•„ = —- = —- (11.19)

Г* М„Е и У

Ти есть время переноса электронов, перемещающихся между двумя контактами. От­метим, что фоточувствительность приемника излучения в функции длины волны

Может быть представлена в виде:

(11.20)

Рисунок 11.6 демонстрирует спектральную характеристику фоточувствительно­сти 91(Д) широкополосных квантовых приемников излучения.

Выражение для усиления фотопроводимости легко понять. Оно представляет собой отношение электронного потока, создаваемого вдоль оси Ох, и потока фо­тонов в направлении 0^. Первым удивительным наблюдением является то, что этот член может быть больше единицы, т. е. оно создает ложное (!) представление

О том, что единичный фотон может породить несколько электронно-дырочных пар без привлечения эффекта лавинного умножения и т. п. Был предложен ряд интерпретаций, позволяющих разрешить этот парадокс. Первое объяснение, пред­ложенное А. Роузом, заключается в том, что можно представить себе, что перед тем, как исчезнуть в результате рекомбинации, электрон может несколько раз пройти по цепи. Таким образом, один и тот же электрон может несколько раз участвовать в процессе формирования тока. Другое объяснение заключается в том, что полупроводниковая среда накапливает электронно-дырочные пары в процессе засветки, а контакты обеспечивают все необходимое для обеспечения электрической нейтральности.

Пример ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Рассмотрим слой 1п5Ь толщиной 3 мкм, длиной /= 1 мм и шириной и> = 100 мкм. Мы хотим определить фоточувствительность этого приемника излучения на длине волны 6 мкм при приложенном напряжении 10 В (что соответствует напряженнос­ти электрического поля 102 В см“1), предполагая, что квантовая эффективность прибо­ра г] составляет 60%. Подвижность носителей в 1п5Ь приведена в таблице 11.1 и состав­ляет 105 см2 В“1 с“1, что приводит к времени переноса ти = 10“1 см/(105 х 102 см с-1) или 10“8 с. Поскольку время жизни носителей составляет 10“7 с, мы находим, что усиление фотопроводимости g составляет 10“7/10~8 = 10. В таком случае фоточув­ствительность есть 0,6 х 10 х 6 мкм/(1,24 мкм эВ) или 30 А/Вт.

Рис. 11.6. Спектральная зависимость фо­точувствительности фотопроводника. Ли­нейное изменение фоточувствительности с длиной волны является следствием того, что число фотонов, обеспечивающих мощность излучения в 1 Вт, увеличивается с Л. Об­щий вид спектральной зависимости харак­терен для широкополосных квантовых при­емников излучения.